管壳式换热器设计及软件开发

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中图分类号： TH12；TK202 文献标识码： B doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2013.04.009Development of the Design Software for Shel and Tube Heat ExchangerXU Guang-di，ZHOU Guo-yan，ZHU Dong-sheng，ZENG Li-ding，ZHU Ling-yun，ZHU Hui，GUO Zhen(Key Laboratory of Pressure Systems and Sofeof Ministry of Education，School of Mechanical and Power Engineering，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China)Abstract： The workload of traditional heat exchanger design is heavy and the eficiency is very low.Conventional design methodis rough，which creates large deviation.Based on VB6.0，this paper has developed a new heat exchanger design software usingsectional design method，This method divides exchanger into a finite number of units in accordance with the process structure，solves each unit inlet and outlet temperature under the process condition，folowed by the design of each unit，and then completesthe whole design of heat exchanger.Segmented calculation is fully considered the impact of the fluid properties with temperaturechange，the design error is very small contrast to HTRI.This software can be used for selected type design，as well as optimal de-sign，which takes the ratio of the overal heat transfer coefficient and the total pressure drop as evaluation criteria and selects thehighest performance structure。

Key words：shel-and-tube heat exchanger；temperature distribution；segmented calculation；software1 前言设计方法粗糙、设计精度低是传统管壳式换热器制造成本和运行成本过大的原因之-1 J。

国外对管壳式换热器设计的研究已经取得了显著成果，其中影响最大的是 HTRI和 HTFS两家公司，但出于商业机密原因，设计方法-直没有公开。在管壳式换热器发展的几十年中，设计的重点和难点在于壳程流体流动与传热具有复杂性和不确定性，结果难以准确预测，所以准确计算壳程传热膜系数和压降成为管壳式换热器设计的-个重要研究对象 J。目前公开的设计方法结果都不很理想，其中Bel法是应用最为广泛，也是计算相对最准确的设计方法 J，这种方法把换热器作为-个整体来考虑，但未能涉及到换热器内部的温度惩随温度场变化的-系列参数，尤其是收稿日期： 2012-07-09 修稿日期 ： 2012-10-11基金项目： 教育部交叉学科与重大项 目培育基金项目；承压系统与安全教育部重点实验室重点科研基地专项基金项目2013年第4l卷第4期 流 体 机 械 39温度变化较大时，流体物性参数的影响会很大4 J，这也是换热器设计不确定性的主要原因，基于上述问题，本文采用分段设计方法，将换热器按照管壳程结构划分成有限个单元，分别进行设计计算，有效减谢热器设计误差。

随着计算机的发展，工业设计大都采用计算机程序进行计算，VB6.0作为 Windows系统下的软件开发工具 ，具有开发效率高、设计灵活、界面友好、交互性强等优点，本文运用 VB6.0编程语言，开发了管壳式换热器设计软件，不仅节省计算时间，而且提高了设计精度，还能为后续软件升级提供保证。

2 设计原理2.1 分段设计在换热器设计中，各设计 目标之间存在-定的矛盾性，这使得构造目标函数最优点集的隶属函数非常困难，流体物性参数随温度的变化是产生不确定性的主要因素，而传统的换热器设计方法未能从根本上解决这些问题。本文采用分段计算方法进行设计 ，将换热器按照管壳程的几何结构和流动形式分为有限个连续的换热单元，流体物性取每个单元平均温度对应的物性参数，有效降低了物性变化带来的影响。如果壳程数为，管程数为n，折流板数为 ，那么总换热单元数为( 1)N，n个；如图1所示，单壳程双管程换热器，折流板数为2，则共有 6个换热单元。分别求出每个单元流体的进出口温度，得到各单元的传热系数和压降，进而求出整个换热器的总传热系数和压降，完成工艺计算，可以看出，分段设计计算最重要的步骤是要得到每个单元的温度分布。

图 1 管壳式换热器分段单元示意2.2 温度分布采用有限差分法计算单元温度分布，不仅简单快捷，而且精度很高。雷寇等对换热器无相变传热温度分布计算做了详细研究，但对于冷凝温度分布，需要借助专业物性软件生成的冷凝曲线来计算，利用专业物性软件实际上只是得到热流体几个温度点和气相分率及对应的焓值，对于特定介质，其冷凝曲线是确定的，因此可以拟合出焓值 -温度和气相分率 -温度间的关系式，进而求解温度分布 。这里以 1-2型冷凝器设计为例(管程冷凝)，介绍冷凝温度分布计算 ，如图 2所示，换热器折流板数为 ，管程数为 凡，模型做以下假设：(1)冷却介质质量流速及定压比热沿整个换热器是常量。

- ·-------- - - - - - - - - - 图 2 1-2型 冷凝 器换 热单兀对于无相变设计，当折流板的数 目足够多时，子单元内的平均温度差近似等于两流体靠近前端管箱-侧的温度差，但对于冷凝计算，若直接用靠近前端管箱-侧的温差代替对数平均温差，误差较大，需引入温差修正系数 ，壳程流体传热速率方程：Q ：E U (t - ) (1)，E已知管程进出口温度和管箱侧的壳程温度 ，则换热器设计型计算和校核型计算时的所有工艺温度都可以得到。根据物性软件拟合焓值-温度和气相分率 -温度间的关系式：hat 6fC (2)Ymt ntP (3)从左向右依次进行设计计算，边界条件 ：S0时，t It。，tⅡt ， ro以壳程第 个单元为研究对象，管程上方子单元内，壳程流体速率方程为：Q。 ( - ) (4)管程流体能量方程为：Qlm (h I-h I)m [(at btc)-(at bt c)](5)联立式(1)和(5)可得 I管程第 单元温度FLUID MACHINERY Vo1.41，No.4，2013t ；同理，可得下方 Ⅱ管程第 X单元温度。

开始计算时需初鸦热系数 及温差修正系数 F ，如 果最 右 端 单 元温 度 tⅡ )

2.3 设计计算对于无相变传热，根据每个单元的雷诺数 Re选择对应的传热与压降公式进行计算。对于有相变传热(冷凝传热或沸腾传热)，需首先计算流型参数 Cg和均相流体积分率 Rlh，根据流型图判断单元流体流动状态，并选择公式计算；对于有相变传热压降计算，需根据气相分率判断流动模型，Y≥0.7时为均相流，Y<0.7时为分离流，依次完成单元设计计算。

管程平均传热系数：n(Nb1)∑ oLtiAti 厶0[ - (6)式中 Ol --管内单元传热膜系数，w/(m ·K)A --管内单元换热面积，m壳程平均传热系数：1∑ - (7)。

式中 ，--管外单元传热膜系数，w/(m ·K)A --管外单元换热面积，m总传热系数：K 击c毒 c毒 毪(8)管程压降由直管压降、管箱内回弯压降、流体进出管箱压降3部分组成：n(Nb1)AP ∑ △尸 △P △P (9) - ， 、壳程压降由折流板间压降与进出口局部压降两部分组成：Nb-1AP ∑△P J△P (1o)3 软件开发3.1 软件界 面管壳式换热器的设计参数多，步骤繁琐，很多参数都要反复调整核算。利用 VB语言，建立便于操作的友好界面，通过界面输人或选取参数，然后简单操作即可完成设计。图 3为软件的主界面，用户可以在树形 目录中选择不同的设计类型，界面上浅灰色输入框为可选输入项，用户可以根据实际经验或要求手动输入，也可以使用软件默认程序计算。单击计算”按钮，即可开始设计计算，并输出结果。

图3 软件输入界面3.2 软件功能本软件可以实现固定管板式 、浮头式及 U形管式换热器的工艺设计 ，可以完成无相变传热及有相变传热(冷凝和沸腾)设计计算。设计时首先要根据工程经验初鸦热系数，根据计算得到的所需换热面积选择换热器结构，确定分段单元，计算温度分布，并选取各段平均温度对应的物性参数，依次对每个单元进行工艺设计 ，最后计算换热器实际的总传热系数，并将实际总传热系数与初鸦热系数比较，如果误差超过 20%，则调整初鸦热系数，反复迭代计算，直到满足要求，然后进行压降校核计算，若压降不满足要求，则返 回重新选择结构参数。

设计计算完成后，可以选择输出结构参数 、分段单元性能参数以及温度分布等。程序流程如图4所示。本软件设计分为选型设计和优化设计两部分。在选型设计中，需用户手动选择管壳程结构参数，然后进行计算，并判断结果是否满足工艺要求 。在换热器设计过程中，往往有多个尺寸的换热器满足工艺要求 ，但这些换热器的传热与压降性能-般都不相同，这就使得选型设计得到的结果很可能不是最优 的结果，因此本文开发了优化设计程序，在优化设计中，用户只需输人工艺条件及物性数据，不需要2013年第4l卷第4期 流 体 机 械 41选择管壳程结构，程序会自动对每-个结构尺寸的换热器进行设计计算，并 以总传热系数与压降的比值 K/△P作为评价标准，选取效能最高的结构。

4 案例分析图4 软件计算流程目前过程工业设备的设计基本以 HTRI设计方法和结果为准。为验证本研究设计方法和程序的有效性和准确性，分别选用管程冷凝及壳程冷凝 2个实际工程案例，通过本研究设计软件和HTRI设计结果进行对比分析 。其工况条件如表 1所示。

表 1 工程案例管程冷凝 壳程冷凝 操作条件壳程 管程 壳程 管程质量流量[m/(kg/s)] 5.74 15，4 45.8 15.4进口温度(℃) 105 60 40 6O出口温度(℃) 85 75 95 75允许压降(kPa) 30 70 l0o 30管程冷凝案例设计得到的冷凝器为单壳程、两管程结构，l0块折流板，共22个子单元∏程冷凝案例设计得到的冷凝器为单壳程、两管程结构，13块折流板，共28个子单元～本设计方法计算得到的冷凝传热系数与压降与HTRI对比如下。如图5、6所示为管程冷凝和壳程冷凝案例中单元冷凝膜传热系数对比结果。

700l35o0 3 6长度(m)图5 案例a管程单元冷凝膜传热系数对比 ～昌爨1蕞l2000 3 6长度(m)图6 案例b壳程单元冷凝膜传热系数对比对比发现，两个案例冷凝膜传热系数在进口段误差差较大，而中间段的计算结果很相近。管程冷凝案例进 口段误差为 6.3%，中间段最大误差为 2%∏程 冷 凝 案 例 中进 口段 误差 为18.4%，中间段最大误差为6.9%。

图7、8所示为两个案例压降的分布情况。由对比结果可以发现，单元压降也是在进口段的误差最大，管程冷凝 案例 中进 口段压降误差 为11.7%，中问段最大误差为 1%；壳程冷凝案例中进口段压降误差为 19.5%，中间段最大误差为9.6%▲出口段误差较大的原因在于这些部位流动复杂，流体流动为突然扩大和突然收缩的过程，对传热及压降都有较大影响，选用的经验公式还需修正等，但就整体传热与压降计算结果来看，误差均在 20%以内，中间段的误差均在 10%以内，表示该软件的设计精度很高，大大缩小了与HTRI的差距。

42 FLUID MACHINERY Vo1.41，No.4，2013l000世 550l0O0 3 6长度(m)图7 案例 a管程单元冷凝压降对比2200遨 1400趟5 结语6000 3 6长度(m)图8 案例 b壳程单元冷凝压降对比分段设计方法充分考虑了物性变化带来的影响，是-种更为精确的设计方法，使用有限差分法计算得到的分段单元温度分布，与 HTRI结果非秤近，为换热器设计计算的准确度提供了保障，通过该方法设计得到的换热器性能参数误差很小，可以很好的满足工程设计需要。在设计过程中，由于需要大量的迭代计算，因此将该设计过程用VB6.0开发成设计软件，不仅节省了设计时间，更提高了设计精度。软件对无相变及有相变传热均可以设计计算，功能强大，性能可靠，满足用户对设计快速、准确的要求。